(57)【要約】【課題】燃料電池モジュールを使用していない状態において性能が劣化することを抑制する。【解決手段】燃料電池モジュール１００は、電解質膜と、電解質膜の一方の面に設けられたアノード電極と、電解質膜の他方の面に設けられたカソード電極と、を有するＤＭＦＣ１０と、ＤＭＦＣ１０に設けられ、ＤＭＦＣ１０に電気的に接続されるとともに着脱可能に接続される機器と接続される電力接続部５４と、ＤＭＦＣ１０に設けられ、アノード電極へ供給される反応流体が通過する給気経路を、電力接続部５４の接続状態に応じて開閉する給気経路開閉部材５６と、を備える。これにより、燃料電池モジュール１００を使用していない状態において性能が劣化することを抑制することができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられた第１の電極と、前記電解質膜の他方の面に設けられた第２の電極と、を有する燃料電池と、
前記燃料電池に設けられ、前記燃料電池に電気的に接続されるとともに着脱可能に接続される機器と接続される接続部と、
前記燃料電池に設けられ、前記第１の電極へ供給される反応流体が通過する給気経路を、前記接続部の接続状態に応じて開閉する給気経路開閉部材と、
を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられた第１の電極と、前記電解質膜の他方の面に設けられた第２の電極と、を有する燃料電池と、
前記燃料電池に設けられ、前記燃料電池に電気的に接続されるとともに着脱可能に接続される機器と接続される接続部と、
前記燃料電池に設けられ、前記第２の電極にて生成される生成流体が通過する排気経路を、前記接続部の接続状態に応じて開閉する排気経路開閉部材と、
を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池モジュールの接続部に着脱可能に接続されるコネクタであって、
前記燃料電池の出力電圧を使用する機器の負荷に応じた電圧に変換する電圧変換部を備えることを特徴とするコネクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機器やコネクタに接続可能な液体燃料直接供給型の燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料および酸化剤から電気エネルギーを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池の主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギーや運動エネルギーの過程を経ない直接発電が挙げられる。このため、燃料電池は、小規模でも高い発電効率が期待できる。また、燃料電池は、窒化化合物等の排出が少なく騒音や振動も小さいので環境に与える影響を低減することができる。このように、燃料電池は、燃料の持つ化学エネルギーを有効に利用することができ、環境に優しい特性を持っているので、２１世紀を担うエネルギー供給システムとして期待されている。そのため、燃料電池は、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。
【０００３】
また、燃料電池の小型化、軽量化が図られつつあることで、携帯機器用の電源としての用途開発も進められている。例えば、近年、燃料電池の一形態として、ダイレクトメタノール燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell：以下、「ＤＭＦＣ」という）が注目を集めている。ＤＭＦＣは、燃料であるメタノールを改質することなく、アノードへ直接供給し、メタノールと酸素との電気化学反応により電力を得る。メタノールは、水素に比べて単位体積あたりのエネルギーが高く、貯蔵に適しており、また、取り扱いも容易なため、自動車や携帯機器などの電源への利用が期待されている。
【０００４】
携帯機器が必要とする電源電圧は、その機器毎に異なることが多い。特許文献１には、機器の負荷に応じた電圧を負荷に供給するために、電池とその電池の出力電圧を出力電圧指令値に応じて変換するＤＣ／ＤＣコンバータとを内蔵する電池パックを備える携帯型電源装置が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−３１９３６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、電池パック毎にＤＣ／ＤＣコンバータが内蔵されていると、電池パック全体のコストの上昇を招くことになる。また、電池パックと接続することができる機器は、その電池パックが内蔵するＤＣ／ＤＣコンバータによって制限されてしまう。
【０００６】
また、携帯機器用の電源として注目されているＤＭＦＣでは、その反応の過程において酸素を必要とし、反応の結果として二酸化炭素が生成される。そこで、ＤＭＦＣでは、カソード電極で必要となる酸素を取り入れるための吸入口やアノード電極で生成した二酸化炭素が排出される排出口が設けられている場合がある。しかしながら、このような場合、ＤＭＦＣを用いていない状態において、反応に用いる燃料や水が吸入口や排出口から蒸発してしまったり、膜が乾燥したりするという問題がある。特に、アノード電極への燃料の供給にポンプなどの強制的な供給手段を持たない、いわゆるパッシブ型と呼ばれるＤＭＦＣでは、その影響が大きくなる。
【０００７】
本発明は上述の事情を鑑みなされたもので、その目的とするところは、機器に接続可能な低コストの燃料電池モジュールを提供することにある。
【０００８】
また、本発明の他の目的は、燃料電池モジュールを使用していない状態において性能が劣化することを抑制する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の燃料電池モジュールは、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられた第１の電極と、前記電解質膜の他方の面に設けられた第２の電極と、を有する燃料電池と、前記燃料電池に設けられ、前記燃料電池に電気的に接続されるとともに着脱可能に接続される機器と接続される接続部と、前記燃料電池に設けられ、前記第１の電極へ供給される反応流体が通過する給気経路を、前記接続部の接続状態に応じて開閉する給気経路開閉部材と、を備える。
【００１０】
この態様によると、第１の電極へ供給される反応流体が通過する給気経路を、燃料電池モジュールが備える接続部の接続状態に応じて開閉が可能となる。そのため、例えば、機器と接続せずに燃料電池モジュール単独の状態では、給気経路を閉じることができ、燃料電池モジュールを保管したり搬送したりする際に、異物の侵入や電解質膜の乾燥を抑制することができる。また、使用する機器の電源として燃料電池モジュールが機器やコネクタに接続されると、それまで閉じられていた給気経路が開かれるため、例えば、発電に必要な反応流体としての酸化剤である空気中の酸素を給気経路を介して第１の電極に供給することができる。
【００１１】
本発明の別の態様もまた、燃料電池モジュールである。この燃料電池モジュールは、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられた第１の電極と、前記電解質膜の他方の面に設けられた第２の電極と、を有する燃料電池と、前記燃料電池に設けられ、前記燃料電池に電気的に接続されるとともに着脱可能に接続される機器と接続される接続部と、前記燃料電池に設けられ、前記第２の電極にて生成される生成流体が通過する排気経路を、前記接続部の接続状態に応じて開閉する排気経路開閉部材と、を備える。
【００１２】
この態様によると、第２の電極にて生成される生成流体が通過する排気経路を、燃料電池モジュールが備える接続部の接続状態に応じて開閉が可能となる。そのため、例えば、機器と接続せずに燃料電池モジュール単独の状態では、排気経路を閉じることができ、燃料電池モジュールを保管したり搬送したりする際に、例えば、水分や液体燃料が電極や液体燃料貯蔵部から蒸発することを抑制することができる。また、使用する機器の電源として燃料電池モジュールが機器やコネクタに接続されると、それまで閉じられていた排気経路が開かれるため、例えば、発電で生成する生成流体としての二酸化炭素を排気経路を介して大気に放出することができる。
【００１３】
本発明のさらに別の態様は、コネクタである。このコネクタは、燃料電池モジュールの接続部に着脱可能に接続されるコネクタであって、前記燃料電池の出力電圧を使用する機器の負荷に応じた電圧に変換する電圧変換部を備える。
【００１４】
この態様によると、出力電圧を機器の負荷に応じた電圧に変換するコネクタを介して燃料電池モジュールを機器に接続するので、燃料電池モジュールに電圧を変換する機能を持たせる必要がなく、低コストの燃料電池モジュールを提供することができる。
【００１５】
なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、燃料電池モジュールを使用していない状態において性能が劣化することを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。なお、以下の各実施の形態では、燃料電池の一形態として、固体高分子形であるダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）を例に説明する。
【００１８】
（ＤＭＦＣの基本構成）
はじめに、実施の形態で使用されるＤＭＦＣ１０の基本構成を説明する。図１は、実施の形態に係るＤＭＦＣの基本構成を示す分解斜視図である。図２は、実施の形態に係るＤＭＦＣの基本構成を示す断面図である。
【００１９】
ＤＭＦＣ１０は、電解質膜１６と、電解質膜の一方の面に設けられた第１の電極としてのアノード電極１２と、電解質膜１６の他方の面に設けられた第２の電極としてのカソード電極１４と、電解質膜１６およびアノード電極１２およびカソード電極１４を収容する筐体３４とを備える。アノード電極１２は、液体燃料としてのメタノール水溶液あるいは純メタノール（以下、「メタノール燃料」と記載する）が毛細管現象により供給される。カソード電極１４は空気が供給される。ＤＭＦＣ１０は、メタノール燃料中のメタノールと空気中の酸素との電気化学反応により発電する。
【００２０】
アノード側集電体１８およびカソード側集電体２０は、各セル２２に設けられた集電体である。配線２４は、アノード側集電体１８とカソード側集電体２０とをつなぐことで、複数のセル２２を直列に接続することができる。アノード電極１２の底部には、アノード電極１２へ供給するメタノール燃料が貯蔵される燃料貯蔵部２６が設けられている。燃料貯蔵部２６に満たされたメタノール燃料は、メタノール燃料供給口２８からアノード側集電体１８を介して、アノード電極１２を構成するアノード電極基材３０の毛細管現象により、アノード触媒層３２へ供給される。
【００２１】
一方、筐体３４のカソード電極１４と対向する面には、給気口３６が設けられており、自然に生じる空気の流れを利用してこの給気口３６からカソード触媒層３８へ酸素が供給される。また、燃料貯蔵部２６の側面には、気液分離フィルタが取り付けられた排気口４２が設けられており、この排気口４２からアノード電極１２で生成したガス、本実施の形態では二酸化炭素、が気液分離フィルタを通過してＤＭＦＣ１０の外部へ排気される。
【００２２】
本実施の形態において、アノード電極１２は、アノード電極基材３０上にアノード触媒層３２が形成されたものであり、カソード電極１４は、カソード電極基材４０上にカソード触媒層３８が形成されたものである。なお、電極として用いることができるのは、前述のアノード電極１２およびカソード電極１４に限られるものではなく、メタノールからＨ＋を、また、Ｈ＋と酸素から水を生成する触媒機能を有する触媒層が存在する電極であればよい。
【００２３】
燃料貯蔵部２６内のメタノール燃料は、メタノール燃料供給口２８からアノード側集電体１８を介して、アノード電極基材３０の毛細管現象により吸い上げられ、アノード触媒層３２上でメタノールが酸化される（式（１））。アノード触媒層３２での反応は次のようになる。
【００２４】
【化１】
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【００２５】
メタノールが酸化されて得られるプロトンＨ＋は、電解質膜１６の中を拡散してカソード電極１４のカソード触媒層３８へ到達し、アノード電極１２で発生した電気は、アノード側集電体１８を介してカソード電極１４側のカソード側集電体２０へ到達する。一方、筐体３４の給気口３６から取り込まれた空気中の酸素は、カソード電極１４のカソード触媒層３８へ到達し、アノード電極１２から得られたプロトンと電子を受領することにより酸素を還元し、水を生成する（式（２））。カソード触媒層３８での反応は次のようになる。
【００２６】
【化２】
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【００２７】
このようにセル２２により取り出される電気を、携帯機器と接続することにより携帯機器を直接駆動することや、二次電池等の充電に使用することができる。
【００２８】
式（１）に示したように、アノード触媒層３２でのメタノール酸化反応では二酸化炭素が発生する。発生した二酸化炭素は、ある濃度以上になると気体（気泡）６０となって、多孔質なアノード側集電体１８やアノード電極基材３０の孔部に入り込む。アノード電極基材３０は、平均孔径数μｍ〜数十μｍの無数の孔が、アノード触媒層３２への燃料供給経路となっているため、ここに気泡となった二酸化炭素が入り込むと、燃料供給経路が塞がれ、アノード触媒層３２へのメタノールの供給量が減少してしまう。そこで、アノード電極１２で生成した二酸化炭素は、排気口４２に取り付けられた気液分離フィルタを通して外部に排出される。
【００２９】
上述のように、ＤＭＦＣ１０は、発電を行うために酸素を必要とし、発電により二酸化炭素が生成するため、発電を行っている間は、外部の大気から酸素を取り入れ、二酸化炭素を大気に放出する必要がある。
【００３０】
（燃料電池モジュール）
本実施の形態に係る燃料電池モジュールは、ＤＭＦＣ１０に設けられた給気口３６を遮蔽する給気経路開閉部材を備える。図３は、実施の形態に係る燃料電池モジュールの外観を示す斜視図である。図４は、図３に示す燃料電池モジュールをＡ方向から見た図である。
【００３１】
図３に示すように、燃料電池モジュール１００は、その外観が直方体であり、中空のケース５２と、ケース５２の内部に収納されているＤＭＦＣ１０と、ＤＭＦＣ１０を後述するコネクタと電気的に接続するためにＤＭＦＣ１０に取り付けられた電力接続部５４と、カソード電極１４へ供給する酸素が通過するために筐体３４に設けられた給気口３６と燃料電池モジュール１００の外部との給気経路を開閉する給気経路開閉部材５６と、アノード電極１２で生成するガスが排気される排気口４２と燃料電池モジュールの外部との排気経路を開閉する排気経路開閉部材６０とを備える。
【００３２】
ケース５２は、給気経路開閉部材５６と対向する面５２ａに大きな開口部５２ｂが設けられている。また、ケース５２は、面５２ａと隣接する側面５２ｃのアノード電極１２や燃料貯蔵部２６に近い箇所に開口部５２ｄが設けられている。給気経路開閉部材５６は、ケース５２とＤＭＦＣ１０との間に配置されており、給気口３６のそれぞれに対応する複数の連通口５６ａが設けられている。排気経路開閉部材６０は、ケース５２とＤＭＦＣ１０との間に配置されており、排気口４２のそれぞれに対応する複数の連通口６０ａが設けられている。
【００３３】
図５は、図４に示す燃料電池モジュールのＢ−Ｂ’断面図である。図６は、図４に示す燃料電池モジュールのＣ−Ｃ’断面図である。図５に示すように、ばね５８は、ケース５２の内壁にその一端が取り付けられており、その他端が給気経路開閉部材５６を電力接続部５４に向かう方向（図中右方向）に付勢している。したがって、電源として使用しない燃料電池モジュール１００単独の状態では、ＤＭＦＣ１０の給気口３６は給気経路開閉部材５６により閉じられている。換言すれば、給気口３６と燃料電池モジュール１００の外部との給気経路は、給気経路開閉部材５６により閉じられている。そのため、給気口３６が大気から遮蔽されるので、燃料電池モジュール１００を保管したり搬送したりする際に、異物の侵入や電解質膜の乾燥を抑制することができる。
【００３４】
また、図６に示すように、ばね６２は、ケース５２の内壁にその一端が取り付けられており、その他端が排気経路開閉部材６０を電力接続部５４に向かう方向（図中右方向）に付勢している。したがって、電源として使用しない燃料電池モジュール１００単独の状態では、ＤＭＦＣ１０の排気口４２は排気経路開閉部材６０により閉じられている。換言すれば、排気口４２と燃料電池モジュール１００の外部との排気経路は、排気経路開閉部材６０により閉じられている。そのため、アノード電極１２が大気と直接触れないので、燃料電池モジュール１００を保管したり搬送したりする際に、水分やエタノール燃料がアノード電極１２から蒸発することを抑制することができる。
【００３５】
（コネクタ）
本実施の形態に係る燃料電池モジュール１００は、コネクタを介して機器に接続される。図７は、実施の形態に係るコネクタの外観を示す斜視図である。図８は、図７に示すコネクタをＤ方向から見た側面図である。
【００３６】
コネクタ２００は、ＤＭＦＣ１０の出力電圧を機器の負荷に応じた電圧に変換する電圧変換部としてのＤＣ／ＤＣコンバータ等の回路部を内蔵する。これにより、燃料電池モジュール１００に電圧を変換する機能を持たせる必要がなく、燃料電池モジュール１００を低コストで製造することができる。本実施の形態に係る燃料電池モジュール１００が電力を供給する機器としては、例えば、携帯電話、携帯端末（ＰＤＡ）、デジタルカメラ、ノート型パーソナルコンピュータ等の電子機器が挙げられる。
【００３７】
コネクタ２００は、回路部を内蔵する直方体の筐体７０と、筐体７０の一つの面に設けられた突起７２，７４，７６と、ＤＭＦＣ１０に取り付けられた電力接続部５４に接続され燃料電池モジュール１００をコネクタ２００に固定する電力接続部７８とを備える。突起７２，７４，７６と電力接続部７８とは同一の面に設けられている。そして、電力接続部７８がＤＭＦＣ１０に取り付けられた電力接続部５４と接続する際に突起７２，７４，７６が燃料電池モジュール１００の一部を押すことで給気経路開閉部材５６や排気経路開閉部材６０が移動される。燃料電池モジュール１００は、コネクタ２００を介して電子機器に装着されることで、電子機器に電力を供給し、電子機器の駆動や電子機器が備える蓄電手段への充電を行う。
【００３８】
図９は、実施の形態に係る燃料電池モジュールを携帯端末に装着した状態を示す模式図である。図１０は、実施の形態に係る燃料電池モジュールを携帯電話に装着した状態を示す模式図である。
【００３９】
燃料電池モジュール１００は、携帯端末３００に装着する際にはコネクタ２１０を介し、携帯電話４００に装着する際にはコネクタ２２０を介して接続する。このように、使用する電子機器の電圧や電力が異なる場合であっても、それぞれの電子機器に適応したコネクタを用いることで燃料電池モジュール１００を共通化することができる。そのため、燃料電池モジュール１００のコストを低減することができる。また、ユーザは電子機器に適応したコネクタを用いることで電子機器ごとに異なる燃料電池モジュールを持つ必要がなくなり、ユーザフレンドリな燃料電池モジュールを提供することができる。
【００４０】
（燃料電池モジュールの接続機構）
図１１は、図４に示す燃料電池モジュールにコネクタを接続した状態におけるＢ−Ｂ’断面図である。図１２は、図４に示す燃料電池モジュールにコネクタを接続した状態におけるＣ−Ｃ’断面図である。
【００４１】
図１１に示すように、燃料電池モジュール１００にコネクタ２００を矢印方向に接続すると、給気経路開閉部材５６の当接部５６ｂが突起７２と当接し押されることで、給気経路開閉部材５６は、ばね５８の弾性力に抗して給気口３６が設けられている面に沿って図中左方向に移動する。その結果、給気経路開閉部材５６は、給気口３６に対して相対的に移動し、連通口５６ａが給気口３６の位置と重なることで給気口３６が大気に対して開放される。
【００４２】
このように、使用する機器の電源として燃料電池モジュール１００をコネクタ２００に接続すると、それまで給気経路開閉部材５６により閉じられていた給気口３６が開かれるため、換言すれば給気経路が開かれるため、発電に必要な酸素を給気口３６を介してカソード電極１４に供給することができる。これにより、燃料電池モジュール１００による発電が必要な時だけ給気経路が開かれるので、燃料電池モジュールを保管したり搬送したりする際には、異物の侵入や電解質膜の乾燥を抑制することができる。その結果、燃料電池モジュール１００を使用していない状態において性能が劣化することを抑制することができる。また、モータ等の駆動力を用いることなく簡易な構成で給気口３６、つまり給気経路を使用時に開くことができる。
【００４３】
また、図１２に示すように、燃料電池モジュール１００にコネクタ２００を矢印方向に接続すると、排気経路開閉部材６０の当接部６０ｂが突起７６と当接し押されることで、排気経路開閉部材６０は、ばね６２の弾性力に抗して排気口４２が設けられている面に沿って図中左方向に移動する。その結果、排気経路開閉部材６０は、開口部５２ｄおよび排気口４２に対して相対的に移動し、連通口６０ａが開口部５２ｄおよび排気口４２の位置と重なることで連通口６０ａを介して排気口４２が大気に対して開放される。
【００４４】
このように、使用する機器の電源として燃料電池モジュール１００をコネクタ２００に接続すると、それまで排気経路開閉部材６０により閉じられていた排気口４２と開口部５２ｄとの間が連通口６０ａを介して連通される排気経路が開かれるため、発電で生成した二酸化炭素を排気口４２から大気に放出することができる。これにより、燃料電池モジュール１００による発電が必要な時だけ排気口４２と開口部５２ｄが連通され排気経路が開かれるので、燃料電池モジュールを保管したり搬送したりする際には、水分や液体燃料がアノード電極や液体燃料貯蔵部から蒸発することを抑制することができる。その結果、燃料電池モジュール１００を使用していない状態において性能が劣化することを抑制することができる。また、モータ等の駆動力を用いることなく簡易な構成で排気口４２と開口部５２ｄを使用時に連通し排気経路を開くことができる。
【００４５】
本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
【００４６】
例えば、上述の実施の形態に係る燃料電池モジュールは、コネクタを介して機器に接続する構成であるが、直接機器に接続して用いる構成であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】実施の形態に係るＤＭＦＣの基本構成を示す分解斜視図である。
【図２】実施の形態に係るＤＭＦＣの基本構成を示す断面図である。
【図３】実施の形態に係る燃料電池モジュールの外観を示す斜視図である。
【図４】図３に示す燃料電池モジュールをＡ方向から見た図である。
【図５】図４に示す燃料電池モジュールのＢ−Ｂ’断面図である。
【図６】図４に示す燃料電池モジュールのＣ−Ｃ’断面図である。
【図７】実施の形態に係るコネクタの外観を示す斜視図である。
【図８】図７に示すコネクタをＤ方向から見た側面図である。
【図９】実施の形態に係る燃料電池モジュールを携帯端末に装着した状態を示す模式図である。
【図１０】実施の形態に係る燃料電池モジュールを携帯電話に装着した状態を示す模式図である。
【図１１】図４に示す燃料電池モジュールにコネクタを接続した状態におけるＢ−Ｂ’断面図である。
【図１２】図４に示す燃料電池モジュールにコネクタを接続した状態におけるＣ−Ｃ’断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０  ＤＭＦＣ、  １２  アノード電極、  １４  カソード電極、  １６  電解質膜、  ２６  燃料貯蔵部、  ３６  給気口、  ４２  排気口、  ５２ｂ  開口部、  ５２ｄ  開口部、  ５６  給気経路開閉部材、  ５６ａ  連通口、  ５６ｂ  当接部、  ６０  排気経路開閉部材、  ６０ａ  連通口、  ６０ｂ  当接部、  １００  燃料電池モジュール、  ２００  コネクタ。
【図１】
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【図２】
2007323932.tif 000006
【図３】
2007323932.tif 000007
【図４】
2007323932.tif 000008
【図５】
2007323932.tif 000009
【図６】
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【図７】
2007323932.tif 000011
【図８】
2007323932.tif 000012
【図９】
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【図１０】
2007323932.tif 000014
【図１１】
2007323932.tif 000015
【図１２】
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